книги из ГПНТБ / Рябкова Е.Я. Расчет заземляющих устройств (Заземления в установках высокого напряжения) учеб. пособие

Принято различать стационарное сопротивление R, ха­ рактерное для рабочих и защитных заземлений, отводящих ток 50 гц, когда индуктивность заземлителя и процессы искрообразования в грунте не имеют существенного значе­ ния, и импульсное сопротивление заземлителя ZH, характер­ ное для заземлителей грозозащиты, величина которого оп­ ределяется как импульсным характером тока, так и процес­ сами искрообразования в грунте.

Отношение импульсного сопротивления заземлителя к стационарному

( 7 >

называется импульсным коэффициентом.

У сосредоточенных заземлителей, для которых основное значение имеют пробои грунта вследствие большого тока молнии, а< 4 . У протяженных заземлителей а может быть как меньше, так и больше единицы в зависимости от преоб­ ладающего влияния искровых процессов или индуктивности.

2. Грунт, его структура и удельное сопротивление

Грунт, в котором происходит растекание тока с зазем­ лителя, является средой весьма сложной и разнообразной по составу и по структуре. Электропроводность твердой ос­ новы грунта минерального происхождения в сухом состоя­ нии ничтожна. Однако содержащиеся в земле различные соли и кислоты при наличии влаги создают электролиты, которые и определяют электропроводность земли.

Влажность грунта зависит не только от количества осад­ ков и близости грунтовых вод, но и от структуры грунта. Чем меньше размер частиц грунта, тем больше его влаго­ емкость.

Часто встречающиеся грунты — песчаный, глинистый и перегнойный — отличаются по составу и структуре. Песок состоит из зерен размером 0,2 — 2 мм, имеет пористую структуру, беден электролитами и обладает весьма-малой влагоемкостью. Глина іи перегной имеют коллоидное строе­ ние частиц, соответственно минерального или органическо­ го происхождения, значительную влагоемкость и богаты электролитами. При одинаковых атмосферных условиях гли­ на и перегной, по сравнению с песком, всегда имеют мень­ шее удельное сопротивление и предпочтительны для разме­ щения заземлителей.

10

Размерность удельного сопротивления грунта

омм2 г п

Величины удельных сопротивлений различных грунтов могут быть названы лишь очень приближенно, так как силь­ но зависят не только от вида грунта, но и от его влажности и атмосферных условий. Примерные значения р некоторых грунтов в естественных условиях приводятся в табл. I.

Таблица I

В общем случае грунт, в котором располагаются заземлители, является неоднородным по глубине вследствие своего геологического строения, залегания грунтовых вод и пр. Кроме того, в течение года, в связи с изменением атмосфер­ ных условий, удельное сопротивление земли на глубине до нескольких метров от поверхности земли, в так называемом слое сезонных изменений, сильно колеблется, увеличиваясь из-за высыхания к концу сухого лета и из-за промерзания зимой.

Проектирование заземляющих устройств должно вестись с учетом неоднородности грунта. На основании результа­ тов непосредственных измерений определяется удельное со­ противление различных слоев грунта по глубине методом вертикального электрического зондирования (метод ВЭЗ) [Л. 2,3].

В качестве расчетного удельного сопротивления грунта слоя сезонных изменений следует принимать возможное максимальное значение удельного сопротивления грунта. Поэтому, если ВЭЗ проводится не в расчетный наиболее

И

тяжелый период года или грозового сезона, измеренное удельное сопротивление грунта слоя сезонных изменений толщиной Нс следует привести к расчетным условиям, умно­ жением на сезонный коэффициент удельного сопротивления земли к. Величины к и Н с зависят от климатической зоны, в которой расположена электроустановка.

Различают три климатические зоны, соответствующие северной, средней и южной полосе СССР. Эти зоны харак­ теризуются средними многолетними температурами января месяца, средней многолетней высшей температурой воздуха в июле, средним количеством осадков и числом дней замер­ зания воды.

При расчете заземлителей рабочих и защитных заземле­ ний для приведения измеренного удельного сопротивления грунта слоя сезонных изменений к расчетным условиям зи­ мы используются сезонные коэффициенты к и учитывается толщина слоя сезонных изменений Н с (табл. II).

Для расчета заземлителей грозозащиты наиболее тяжелым периодом грозового сезона является период с пониженной влажностью из-за засухи. Поэтому сезонные коэффициенты удельного сопротивления слоя сезонных изменений при рас­

На основании табл. II сезонные коэффициенты удельно­ го сопротивления слоя сезонных изменений грунта при рас­ чете заземлителей грозозащиты для всех трех климатических

грозозащиты, помимо удельного сопротивления р грунта, оказывает влияние также и величина его пробивной напря­

12

женности £ Пр, которая зависит как От рода грунта, так и от значения предразрядного времени. Наименьшие величи­ ны наблюдаются в грунтах с удельным сопротивлением око­

3. Электроды заземлителей

Для заземлителей используются горизонтальные и верти­ кальные электроды, уложенные на глубине 0,5 — 1 м от по­ верхности земли (рис. 1-5).

Рис. 1-5. Электроды заземлителей; горизонтальные; а — поло­ совой; б— кольцевой и в — вертикальный

Горизонтальные полосовые заземлители в виде лучей, ко­ лец или контуров используются как самостоятельные зазем­ лители или как элементы сложного заземлителя из горизон­ тальных и вертикальных электродов.

Для горизонтальных заземлителей применяется полосовая сталь сечением не менее 48 мм2 и толщиною не менее 4 мм, круглая сталь с диаметром не менее б мм или трос.

Сопротивление горизонтальных заземлителей в одно­ родном грунте определяется по формулам табл. III с учетом глубины их заложения. Например, при грунте с удельным сопротивлением'р = 100 омм горизонтальный лучевой элект­ род (1=20 м, d = 2 см и h= 0,5 м) имеет ^=8,4 ом.

13

Вертикальными заземлителями являются стальные трубы, угловая сталь и металлические стержни длиною 2 — 5 Наименьшие поперечные размеры допускаются следующие: у круглых электродов d = б мм, толщина полок угловой ста­ ли 6= 4 мм и толщина стенок стальных труб Ь—3,5 мм.

Наименьшие поперечные размеры электродов диктуются коррозией и могут быть увеличены из условий достаточной механической прочности при погружении их в грунт. Глу­ бина закладки вертикальных электродов мало влияет на сни­ жение их сопротивления в однородном грунте. Поэтому в однородном грунте сопротивление вертикального электро­

к возможности использования более длинных вертикальных электродов (~ до 20 м) [А. 5].

14

Применение длинных электродов позволяет достигнуть более проводящих слоев грунта или уровня грунтовых вод и уменьшает влияние сезонных изменений удельного сопро­ тивления грунта на сопротивление заземлителя. Кроме того, более длинные вертикальные электроды обеспечивают бо­ лее пологую кривую распределения потенциала по поверх­ ности земли, что ведет к снижению напряжений прикосно­ вения и шага.

Действительно, из кривых распределения относительного потенциала по поверхности земли вокруг вертикального электрода (рис. 1-6,а) по формуле [Л. 6]

£

X

(8)

следует, что для ж —0,8 м при электроде 1 = 2 м

^Лір = 0,63,

а при 1=20 м

^пр

= 0,42,

~ü7

т. е. в 1,5 раза меньше.

При выполнении заземления с малой величиной сопро­ тивления или в плохом грунте, когда требуется закладка зна­ чительного числа коротких электродов, длинные вертикаль­ ные электроды оказываются более экономичными, по срав­ нению с короткими, из-за меньшего влияния их электри­ ческих полей в земле друг на друга.

Вследствие взаимного влияния полей электродов общее сопротивление Заземлителя из п одинаковых электродов

с сопротивлением R будет больше, чем — , так как сопро­

тивление каждого из электродов в системе возрастает. Дей­ ствительно, если бы электроды находились на бесконечно большом расстоянии друг от друга, то ток от каждого из них расходился бы в земле равномерно во все стороны. При расположении же их на конечном расстоянии, как, напри­ мер, на рис. 1-7, ток от электрода 1 уже не проходит в про­ странство справа от вертикальной плоскости AB, которая является как бы экраном. Аналогично ведет себя и ток от

15

вертикальных электродов

16

Г л а в а II

ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЗЕМЛЕНИЮ СТАНЦИЙ, ПОДСТАНЦИЙ И ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1. Заземление станций ц подстанций

На станциях и подстанциях в общем случае требуется иметь заземление защитное, рабочее и грозозащиты.

Требования, предъявляемые действующими у нас ПУЭ [Л. 7] к защитному заземлению электроустановки, зависят от режима сети, в которой она работает. Принятые у нас режимы сетей: 1) с эффективно заземленной нейтралью, 2) с изолированной нейтралью и 3) с компенсацией емкост­ ных токов замыкания на землю различаются между собой по характеру, величине и длительности токов при однофаз­ ном замыкании на землю, протекающих через заземляющее устройство станции и подстанции.

Как известно, при режиме сети с эффективно заземлен­ ной нейтралью ток однофазного короткого замыкания яв­ ляется по характеру индуктивным током с возвратом в сеть через нейтрали заземленных трансформаторов. По вели­ чине этот ток составляет килоамперы и может достигать даже 30 ка. Длительность протекания этого тока опреде­ ляется временем срабатывания основной защиты.

При режиме сети с изолированной нейтралью ток одно­ фазного замыкания на землю является по характеру емкост­ ным током, с возвратом в сеть через емкости здоровых фаз.

При режиме сети с компенсацией емкостных токов за­ мыкания на землю через место заземления протекает оста­ точный ток, который по характеру, в основном, является ак­ тивным и составляет всего несколько процентов от емкост­ ного тока замыкания на землю, но может возрасти при от­ ключении одного из компенсирующих аппаратов для выво­ да его в ремонт.

18

\

При Относительно небольшой величине тйка замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью иліи с компен­ сацией емкостных токов замыкания на землю, в общем слу­ чае, релейная защита не работает на отключение участка установки с замыканием на землю. Поэтому длительность протекания тока через заземляющее устройство в этих слу­ чаях определяется временем, необходимым для самоугаеания дуги или для обнаружения и отключения поврежденного участка.

В соответствии с различной величиной и длительностью тока замыкания на землю в электроустановках, работающих в сетях с различными режимами, к сопротивлению зазем­ ляющих устройств этих установок предъявляются различные требования.

Кроме того, к заземляющим устройствам установок с эф­ фективно заземленной нейтралью предъявляется необходи­ мое требование по выравниванию потенциала заземляюще­ го устройства по поверхности земли (см. ниже).

Согласно действующим «ПУЭ» заземляющее устройство защитного заземления станций и подстанций высокого на­ пряжения в любое время года должно иметь сопротивле­ ние:

1) в сетях с эффективно заземленной нейтралью

В районах со скалистым грунтом и в районах вечной мерзлоты при р^>500 омм допускается повышенная величи­ на сопротивления заземлителя в р/500 раз, но не более, чем

в10 раз;

2)в сетях с изолированной нейтралью или с компенса­ цией емкостного тока замыкания на землю дугогасящими аппаратами